книги из ГПНТБ / Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий учебник

имеющихся в ГОСТ 721-62. Оба напряжения применяются для систем с изолированными полюсами. Система трехпро­ водной сети 2 X 220 В с глухозаземленньтм средним про­ водом применялась ранее для питания освещения постоян­ ным током на старых заводах. На одном металлургическом заводе работает установка напряжением 2 X 220 В по­ стоянного тока с заземленным средним проводом, опыт эксплуатации которой дал положительные результаты.

Наибольшие дискуссии о величине напряжения по­ стоянного тока были в металлургической промышленности, где система постоянного тока наиболее распространена. Па металлургических предприятиях оставалось напря­ жение 220 В, что мотивировалось более высокой надеж­ ностью в эксплуатации электродвигателей и аппаратуры.

Недостатки напряжения 220 В по сравнению с напря­ жением 440 В следующие:

1.Перерасход проводникового материала в цеховых сетях, достигающий 65%, и повышение капитальных зат­ рат на сооружение цеховых электросетей до 40%.

2.Колебания напряжения более ощутимы при напря­ жении 220 В, чем при 440 В.

3.Аппаратура управления при 220 В дороже в сред­ нем на 20%; при крупных мощностях имеются затрудне­ ния в выполнении аппаратуры на большие токи.

Вто же время для крупных приводов (блюминг, до­

менный подъем) практика металлургической промышлен­ ности показала надежную работу машин и аппаратуры в системах ДГД и УРВД при напряжениях до 750 В и выше. Установлено также, что система 2 х 220 В с вклю­ чением мелких приводов на напряжение 220 В, сдвоен­ ных приводов на 2 X 220 В и крупных приводов на напря­ жение 440 В является более экономичной, чем двухпро­ водная система 220 В, не уступая последней в надежности.

При выборе напряжения для конкретного случая сле­ дует принимать во внимание вышеприведенные сообра­ жения, а также общую мощность приводов постоянного тока и их расположение на предприятии.

4-3. НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Основными электроприемниками на промышленных предприятиях являются электродвигатели переменного тока, и правильный выбор для них напряжения имеет

100

важное значение. Напряжение влияет не только на стои­ мость, потери энергии и надежность работы двигателя, но и на систему электроснабжения предприятия.

До начала широкой электрификации страны по плану ГОЭЛРО основными источниками электроэнергии были небольшие станции с генераторными напряжениями 3 150,525 и 230/133 В, электродвигатели имели напряже­ ние 3 000,500 и 220/127 В.

Напряжение 500 В широко применялось на текстиль­ ных фабриках, в химической, горной, металлургической и других отраслях промышленности, где источниками электроэнергии были генераторы на напряжение 525 В. С появлением в 30-х годах системы напряжений 380/220 В ее начали широко применять на новых промышленных предприятиях. Недостаток напряжения 5Ö0 В заключался в необходимости дополнительно устанавливать трансфор­ маторы для освещения, в то время как при системе 380/220В электродвигатели и освещение можно питать от общих трансформаторов. Применять напряжение 220/127 В для новых предприятий было запрещено в 1933 г., и для боль­ шинства предприятий, строившихся в первой пятилетке, для двигателей было принято напряжение 380 В. Сами двигатели выполнялись на напряжение 380/220 В, что облегчало переход от 220/127 на 380 В. Напряжение 380 В получило широкое распространение в цеховых сетях для двигателей малой и средней мощности.

С ростом мощностей электростанций напряжение гене­ раторов повысилось до 6,3, а затем до 10,5 кВ. Для дви­ гателей мощностью 200 кВт и выше стали применять напряжение 6 кВ и при мощностях 2 000 кВт и выше 10 кВ. Напряжение двигателей 3 кВ применялось при напряже­ нии питания 10 кВ с трансформацией 10/3,15 кВ. Стои­ мость двигателей напряжением 3 кВ была ниже стоимости двигателей 6 кВ на 10—20%, а к. п. д. выше на 1—2%, чем у последних. Такое соотношение стоимости и потерь является вообще характерным для двигателей одинако­ вой мощности, которые могут изготовляться на разные напряжения.

В дальнейшем вместо двигателей 3 кВ начали выпу­ скаться двигатели напряжением 6/3 кВ. Они имеют две обмотки статора, включаемые п о с л е д о в а т е л ь н о при напряжении 6 кВ и и а р а л л е л ь н о при напря­ жении 3 кВ, так что их стоимость и к. п. д. не зависят от напряжения сети. Это обстоятельство привело к тому,

101

что широко применявшаяся в первых пятилетках система напряжений 10/3 кВ (Магнитогорский металлургический комбинат, Балхашский медеплавильный комбинат и др.) потеряла все преимущества и напряжение 3 кВ практи­ чески вышло из употребления. Аналогичное положение было в установках собственных нужд электростанций, где ранее применялось напряжение 3 кВ, а в настоящее время 6 кВ.

За последние 25—30 лет во всех отраслях промышлен­ ности увеличились число и производительность промыш­ ленных предприятий, значительно выросли число и сред­ няя мощность электродвигателей, а также размеры про­ изводственных корпусов. В ряде случаев номинальная мощность электродвигателей в одном корпусе достигает 50 МВт и выше.

На предприятиях, на которых приближение трансфор­ маторов к установкам невозможно по условиям окружаю­ щей среды или технологического процесса, возникла не­ обходимость перехода на повышенное напряжение 660 В.

Наиболее остро стал вопрос о повышении напряжения при электроснабжении механизмов забоя в угольных шах­ тах, где при напряжении 380 В оказалось невозможным обеспечить работу новых угольных комбайнов с двигате­ лями 120 кВт и выше. Уже в 1954 г. в угольных шахтах начали применять напряжение 660 В, которое в настоя­ щее время предусматривается для всех новых шахт. Однако и 660 В оказывается недостаточным при продол­ жающемся росте мощностей механизмов, и угольная про­ мышленность готовится к переходу на следующую ступень

напряжения 1 140 — [УЗ-660 В.

В 1962 г. напряжение 660 В было введено в ГОСТ вместо напряжения 500 В, которое в настоящее время сохраняется только на действующих предприятиях.

Напряжение 660 В имеет ряд достоинств по сравнению

снапряжением 380 В и по сравнению с напряжением 6 кВ.

1.Уменьшение тока статора в ~\f3 раз при напряжении 660 В но сравнению с 380 В, что позволяет повысить пре­

дельную мощность двигателей, благодаря чему они полу­ чают преимущества по стоимости (на 40—60 % дешевле) и по к. п. д. (на 1,5—2 % выше) уже перед двигателями напряжением 6 кВ той же мощности. Особенно выгодно применять напряжение 660 В для тихоходных синхрон­ ных' двигателей, удельная стоимость которых (руб/кВт)

102

очень высока, а также вообще для всех синхронных дви­ гателей, опережающая реактивная мощность которых мо­ жет быть наиболее эффективно использована для компен­ сации реактивных нагрузок в сети до 1 000 В.

2. Повышение пропускной способности, сети в ]/3 раз и уменьшение потерь энергии в ней в 3 раза при том же расходе цветного металла, что и при напряжении 380 В, или в 2—2,5 раза, если сечение проводников, вы­ бранное для напряжения 380 В, снизить на одну-две ступени (стоимость сети при этом снижается только на 5-10% ).

3.Снижение токов к. з. и облегчение условий терми­ ческой и динамической устойчивости элементов систем электроснабжения по сравнению с условиями при на­ пряжении 380 В. Это позволяет применять более мощные трансформаторы для цеховых подстанций.

4.Увеличение радиуса действия цеховых трансформа­

торных подстанций (ТП) примерно в ф^З раз, что (при не­ котором увеличении длины питающих ТП линий) позво­ ляет на одну-две ступени повысить единичную мощность и почти в 2 раза уменьшить число цеховых трансформато­ ров. При этом удельные значения стоимости, потерь мощ­ ности и приведенных затрат на 1 кВ-А комплектных под­ станций с трансформаторами с масляным охлаждением значительно снижаются, как видно из табл. 4-1 [Л. 4-2].

Таблица 4-1

Мощность трансформаторов, кВ • А

Показатель

5. Сокращение числа линий и выключателей, питаю­ щих ТП при напряжении выше 1 кВ, возможность отказа от напряжения 6 кВ и значительное упрощение схемы электроснабжения.

103

В соответствии с действующими ГОСТ электродвига­ тели переменного тока должны изготовляться на следую­ щие пределы мощностей в зависимости от напряжения:

Па указанные пределы мощностей влияют также ча­ стота вращения и тип двигателей (асинхронный или синххронный).

Вдальнейшем напряжение 3 000 В не рассматривается по указанным причинам. Что касается двигателей напря­ жением 380/660 В, то они могут быть изготовлены на мощ­ ность выше 500 кВт, в особенности синхронные двига­ тели. Поэтому для диапазона мощностей 0,6—20 000 кВт можно было бы ограничиться двумя напряжениями ПВО

и10 000 В и отказаться от выбора для двигателей напря­ жения 6 000 В.

Вцелях уменьшения тока статора при больших мощ­ ностях применяется соединение обмоток статора треуголь­ ником с выводом трех концов обмотки. В этом случае переключение обмоток на звезду с увеличением напряже­

ния питания в У 3 раз невыполнимо по конструктивным условиям и по уровню изоляции, не рассчитанной на иовышенное напряжение. Для таких двигателей заводы при­ водят в каталогах одно напряжение, например 380 или 660 В.

При сравнении напряжений для одной и той нее мощности двигателей следует учитывать повышение на­ дежности в эксплуатации при более низком напря­ жении.

Примером этого служит опыт эксплуатации микродви­ гателей мощностью 0,1—0,2 кВт напряжением 380 В на металлорежущих станках. Микродвигатели применяются для приводов насосов подачи смазки и охлаждающей жидкости; вследствие трудности выполнения изоляции микродвигателей аварийность их высока (до 2 раз в год). Более надежной оказалась работа двигателей при напря­ жении 36 В, на которое перематывали обмотку двигателя при ремонте и включали через трансформаторы 380/36 В с глухим присоединением к нему двигателя 36 В и управ­ лением в цепи 380 В трансформатора.

104

В текстильной промышленности микродвигатели и цепи автоматики и управления агрегатов, работающих от си­ ловой сети напряжением 380 В, питаются через понижаю­ щие трансформаторы при напряжении J27 В. В протяжен­ ных цепях управления при напряжении 380 В имеет место емкостный эффект, вызывающий залипание контак­ тов и нарушение работы системы. Поэтому для цепей авто­ матики и управления применяется пониженное напряже­ ние, на которое следует включать и микродвигатели по условиям надежности.

Для двигателей электроинструмента при работе в кор­ пусах судов, в барабанах котлов, в баках и т. п. ввиду особой опасности электротравматизма следует принимать напряжение 3(5 В. В помещениях без повышенной опас­ ности для электроинструмента допускается напряжение 220,127 В; напряжение 380/220 В должно быть запрещено независимо от характера помещения.

Несмотря на указанные преимущества, распростране­ ние напряжения 6(50 В сдерживается в СССР дефицитом и повышенной стоимостью аппаратуры управления и за­ щиты на это напряжение, в то время как выпускаемые марки проводов и кабелей допускают применение их при напряжении (560 В. Не встречает затруднений изготовле­ ние двигателей и трансформаторов цеховых подстанций на это напряжение. Общая тенденция повышения напря­ жения в цеховых сетях имеет место и за рубежом. В США применяется напряжение 480/277 В, вытеснившее напря­ жение 208/120 В, и на ряде предприятий имеются сети напряжением 600 В. В Канаде применяется напряжение 550—600 В. В Швеции, ФРГ и Италии (заводы Фиата) принято напряжение 500 В. В подземных выработках Англии, ФРГ, Польши и других стран применяются на­ пряжения 1 000—1 140 В.

Наиболее активно внедряется напряжение 660 В в ГДР, где используется аппаратура напряжением 500 В, защи­ щенная токоограничивающими предохранителями 660 В. В 1970 г. на одном из предприятий нефтехимической про­ мышленности ГДР уже введена в строй первая техноло­ гическая установка напряжением 660 В. Кроме того, стандарт ГДР законодательно предписывает «на всех вновь сооружаемых и расширяемых предприятиях применять напряжение 660 В, отказ от которого может быть разрешен директивными органами на основании специального обос­ нования».

105

Учитывая указанные выше соотношения параметров двигателей одинаковой мощности для разных напряже­ ний, при определении оптимального напряжения следует исходить из следующих положений. Имеющий место де­ фицит аппаратуры 660 В носит временный характер. По­ вышенная стоимость выпускаемой аппаратуры 660 В свя­ зана с повышением качества и надежности по сравнению с аппаратурой 380 В. Поскольку электропромышленность должна переходить на более совершенные конструкции аппаратов всех напряжений, то, учитывая уменьшение

тока аппарата при 660 В в ]/3 раз, следует считать, что при технико-экономических сравнениях напряжений 660 и 380 В стоимость аппаратуры должна прини­ маться примерно одинаковой или с незначительным удо­ рожанием при 660 В. Согласно ПУЭ при сравнении вариантов напряжений предпочтение должно отдавать­ ся более высокому, если даже затраты при нем будут выше на 10—15%, так как оно является более перспек­ тивным.

Учитывая, что напряжение 10 кВ является предпочти­ тельным по сравнению с напряжением 6 кВ при распре­ делении электроэнергии внутри предприятия, следует в первую очередь применять для двигателей мощностью до 500—630 кВт напряжение 660 В и для мощностей 630—800 кВт и выше 10 кВ, допуская завышение номи­ нальной мощности двигателей, особенно синхронных (см. § 9-10).

При небольшом числе двигателей мощностью 300— 630 кВт и напряжении сети 10 кВ рекомендуется схема блок трансформатор — двигатель с глухим подключением двигателя напряжением 660 В через трансформатор 10 0,69 кВ и управление двигателем выключателем на стороне 10 кВ.

Если основная масса двигателей имеет мощность ниже 100 кВт, следует рассматривать вариант совместного пита­ ния силовых и осветительных электроприемников от об­ щих трансформаторов при напряжении 380/220 В. Напря­ жение 6 кВ для двигателей должно постепенно уступать место напряжению 10 кВ как более перспективному, после того как будет внедрено напряжение 660 В. Двигатели напряжением 220/380 В должны быть вообще изъяты из употребления, так как напряжение 220 В для цеховых сетей не применяется. Наоборот, двигатели напряжением 380/660 В в сетях 380 В работают при соединении обмоток

106

статора треугольником, так что при малых нагрузках могут переключаться на звезду в целях повышения коэф­ фициента мощности (см. § 11-2).

4-4. НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВОК

Электротермические установки. Для электропечей со­ противления к о с в е н н о г о нагрева с металлическими нагревателями более эффективно применение больших сечений, так как нагреватели небольшого сечения быстрее окисляются, особенно при температурах 2 000 °С и выше, и выходят из строя. Подсчеты показывают, что при пони­ жении напряжения на нагревателях до 18—190 В эконо­ мия по расходу нагревателей перекрывает затраты на установку трансформатора и потери в нем. Для понижаю­ щих трансформаторов применимо первичное напряжение 380 или 660 В.

При более мощных печах сечения нагревателей полу­ чаются достаточно большими уже при напряжении 220 В; в этом случае предпочтительно питание напряжением 380/220 В. При мощностях электропечей или их регулируе­ мых зон 100 кВт и выше напряжение на нагревателях 380 В, в этом случае напряжение питания может быть 380 и 660 В с соединением нагревателей соответственно тре­ угольником или звездой.

Для трехзонной печи нагрева заготовок до 1 200 °С мощностью 1 100 кВт напряжение на нагревателях 500 В. Поскольку мощности современных электропечей косвен­ ного нагрева достигают нескольких мегаватт, то возможно выполнение нагревателей на напряжение 660 В.

Электропечи сопротивления п р я м о г о нагрева вы­ полняются с напряжением на изделии 100 В и ниже, что требует всегда понижающего однофазного трансформа­ тора. Питающее напряжение трансформатора в зависи­ мости от мощности, достигающей нескольких мегавольтампер, может быть 380, 660, 6 000 и 10 000 В.

Применение напряжения 660 В для электропечей со­ противления в СССР временно сдерживается по указанным выше причинам.

Дуговые сталеплавильные печи выполняются с транс­ форматорами на первичное напряжение 6 или 10 кВ при мощностях до 10 МВ-А и на 35 кВ при мощностях 15— 45 МВ • А; для более высоких мощностей будет применяться

107

напряжение 110 кВ и выше, как ото имеет место за рубе­ жом.

Руднотермические печи выполняются о трехфазными трансформаторами на напряжение (3, 10, 35 и 110 кВ и

однофазными на 6, 10, 35 и 154/]/ 3 — 89 кВ в зависимости от мощности.

Дуговые однофазные печи косвенного действия для плавки цветных металлов имеют трансформаторы с пер­ вичным напряжением 6 или 10 кВ. Такие же напряжения имеют трансформаторы индукционных печей нормальной частоты и установки злектрошлакового переплава.

Сварочные установки в настоящее время питаются напряжением 380 В и в перспективе могут выполняться для питания напряжением (3(30 В, поскольку все они имеют понижающие трансформаторы. Основной проблемой для машин контактной сварки при переходе на напряжение 660 В будет управляющая аппаратура. До последнего времени управление этими машинами выполнялось игни­ тронными контакторами, к недостаткам которых отно­ сится большая потеря напряжения в самом контакторе (около 15 В). В настоящее время в СССР и за рубежом внедряются тиристорные контакторы, потери напряже­ ния в которых незначительны. Тиристорные контакторы могут быть выполнены на напряжение 660 В и являются весьма перспективными для сварочных установок.

При выборе напряжения питания сварочных установок необходимо учитывать резко переменный характер их нагрузки, обусловливающий необходимость раздельного питания силовой и осветительной нагрузки.

Конденсаторы для компенсации реактивной мощности выпускаются в трехфазном исполнении на напряжения 220, 380, 500 и 660 В при соединении треугольником. Поскольку мощность конденсатора пропорциональна квадрату напря­ жения и емкости, то при напряжении 660 В для заданной мощности конденсатора требуется емкость в 3 раза меньше, чем при напряжении 380 В. Это удешевляет их конструк­ цию, и удельная стоимость конденсаторов (руб/квар) снижается.

Однофазные конденсаторы выпускаются на напряже­

ния 1 050, 3 150/1/3, 3 150, 6 300/1/3, 6 300 • 10 500/1/3 и 10 500 В. Они соединяются в треугольники или звезду при напряжении сети 6 и 10 кВ, а также в параллельные и по­ следовательные группы для включения в сети 35 и 110 кВ.

108

4-5. НАПРЯЖЕНИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И СХЕМЫ ПИТАНИЯ СИЛОВЫХ И ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПРИЕШШКОВ

Для питания общего освещения могут быть применены напряжения 220/127 и 380/220 В. Согласно ПУЭ в поме­ щениях с повышенной опасностью и особо опасных мест­ ное и ремонтное освещение питаются на напряжении 36 В. Для переносных ламп ремонтного освещения при работе в паровых котлах, металлических резервуарах, корпусах металлоконструкций и тому подобных объектах должно применяться напряжение 12 В.

Выбор напряжения для осветительных установок свя­ зан с выбором системы питания силовых и осветительных потребителей от общих или раздельных трансформаторов. С учетом запрещения применения напряжения 220,127 В для вновь сооружаемых предприятий возможны следую­ щие варианты напряжений: при раздельном питании си­ ловых и осветительных потребителей от разных транс­ форматоров

1)силовые 380 В, осветительные 380/220 В;

2)силовые 660 В, осветительные 380/220 В;

при совместном питании силовых и осветительных потребителей от общих трансформаторов;

3)силовые и осветительные 380/220 В;

4)силовые 660 В и осветительные от местных тран­ сформаторов 660/380/220 В.

Практика работы промпредприятий и совершенство­ вание систем их электроснабжения путем приближения трансформаторов возможно блинке к цеховым потребите­ лям привели к тому, что почти все установки, запроекти­ рованные по варианту 1, перешли на работу по варианту 3.

Большинство предприятий в данное время работают по схеме совместного питания силовых и осветительных потребителей от общих трансформаторов при напряжении 380/220 В. Однако в некоторых случаях может возникнуть техническая необходимость в раздельном питании.

При совмещении питания от общих трансформаторов (по варианту 380/220 В) имеются отрицательные факторы, приведенные ниже. Поскольку ПУЭ для питания освети­ тельных установок предусматривают применение напря­ жения не выше 250 В относительно земли, возникает не­

обходимость глухого заземления нейтрали 380/220 В. В этом случае всякое однофазное замыкание на землю при­

109